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Química Orgánica Avanzada
TEMA 01
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Química Orgánica Avanzada. TEMA 01. Juan A, Palop
TEMA 01. FUNDAMENTOS
• Estudio general de la reacción química.
• Clasificación de las reacciones orgánicas.
• Estequiometría y velocidad de reacción.
• Definición de mecanismo de reacción.
• Objetivos del estudio de un mecanismo
de reacción.
• Aproximación a un mecanismo de reacción
y validación del mismo
AVE FENIX
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1. Pregunta elemental de partida:
¿Qué es la reacción química?
Respuesta: depende de la visión, de la perspectiva, del
aspecto elegido para el estudio.
En cualquier caso, la reacción química siempre es algo
COMPLEJO:
• POLIFACÉTICA: con muchos aspectos a considerar
• VARIADA y VARIABLE: reactivos, procedimientos,
medios, …
• DEPENDENCIA de tipo MULTIFACTORIAL: bajo muchas
influencias de factores internos de los reactivos y
factores externos del medio y las condiciones de
reacción.
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2. A continuación un EJEMPLO de cómo los
factores estructurales internos del reactivo
condicionan su comportamiento químico:
¿Cómo reacciona un haloácido calentado en una
disolución básica de un hidróxido alcalino?
DEPENDE
Iguales reactivos, iguales grupos funcionales,
iguales medios y condiciones…distinta posición
relativa de las funciones.
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Cl
R CH
α
OH COOH
β
OH CH2
COOH
γ
COOH
neutralización
R CH
calor
Cl
R CH
R CH
calor
Cl
R CH
neutralización
OH
OH CH2
CH2
neutralización
R
CH COOH
O
O
COOH
calor
Dependiendo de la posición α, β o γ del halógeno se obtienen
productos distintos mediante procesos también distintos: los
factores estructurales internos condicionan el comportamiento.
Además, también podrían considerarse factores externos.
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ASPECTOS OBJETO DE ESTUDIO DE UNA REACCIÓN QUÍMICA
1. FINALIDAD PERSEGUIDA POR EL ESTUDIO
industrial
síntesis
termodinámica
cinética
estereoquímica
2. VISIÓN MECANÍSTICA
Estudio del modo de producirse la reacción en sí misma,
no como fuente de productos ni en otros aspectos
tangenciales al proceso. Estudio del camino gradual
seguido por la transformación química.
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3. VISIÓN ESTRUCTURAL
Estudio de la reordenación de los átomos presentes en los
reactivos producida a través de la reorganización de sus
enlaces químicos
FISIÓN O RUPTURA DE ENLACE
HOMOLÍTICA (partículas paramagnéticas)
HETEROLÍTICA (partículas eléctricamente cargadas)
FORMACIÓN DE ENLACE
Por confluencia de dos partículas parcialmente
deficitarias que se normalizan al compartir carga.
Por ataque entre centros de distinta carga eléctrica.
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4. MÓVIL DE LA REACCIÓN (desencadenante)
ATAQUE es la búsqueda por parte de una especie
química de carga eléctrica complementaria o de un
situación electrónica más favorable y estable.
(ESTABILIDAD - ENERGÍA)
5. CONSIDERACIÓN DE LA REACCIÓN COMO UN
PROCESO CONTINUO
Reactivos y productos están conectados por:
• Un camino gradual de transformación
• Una sucesión de etapas progresivas
• Desarrollo evolutivo continuo
Son descripciones de la reacción química en este sentido.
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CONCEPTO DE REVERSIBILIDAD
Desde cualquier posición intermedia puede darse:
• El proceso reverso conducente de nuevo a los
reactivos, reestableciéndose los enlaces originales.
• El proceso directo conducente a los productos y
generándose nuevos enlaces.
CONCEPTO DE INTERMEDIO DE REACCIÓN
6. EL ENTORNO DONDE OCURRE LA REACCIÓN
(FACTORES EXTERNOS SELECCIONABLES)
• Medio de reacción
• Condiciones de reacción
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7. CAMPOS DE ESTUDIO DE LA REACCIÓN QUÍMICA
¿por qué?
Intereses científico y práctico
¿cómo?
CINÉTICA
MECANISMO DE REACCIÓN
ESTEREOQUÍMICA
TERMODINÁMICA
REACTIVIDAD
factores electrónicos y estéricos
factores internos y externos
PERSPECTIVA EXPERIMENTAL
transposiciones, condiciones, catalisis, reacciones
colaterales, competitividad, inhibidores, disolventes...
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CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES ORGÁNICAS: CRITERIOS
A) Según el cambio producido en la estructura del reactivo:
1. Sustitución (desplazamiento)
2. Adición-Condensación
3. Eliminación
4. Reordenamiento
Clasificación descriptiva del cambio producido R
P pero
no informa de cómo se ha llevado a cabo (el MECANISMO
DE REACCIÓN será objeto de estudio posterior).
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Una reacción compleja puede comprender más de una de estas
categorías que describen etapas parciales del proceso global:
O
O
+
N
H
NH2
CONDENSACIÓN
ADICIÓN
H2O
a C=O
HO
H
N
H
ELIMINACIÓN
N
H
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B) Según la reestructuración electrónica habida:
Información sobre la reorganización de los electrones en el
proceso de rotura de algunos enlaces químicos y formación
de otros nuevos (reacción química).
Reacciones HETEROLÍTICAS (iónicas)
Reacciones HOMOLÍTICAS (radicálicas)
CH2
CH2
:
:
CH2
CH2
CH2
CH2
+
CH2
CH2
CH2
CH2
:
:
CH2
CH2
Esta clasificación requiere conocimiento del mecanismo de reacción.
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C) Según la naturaleza del reactivo atacante:
ATAQUE es la aproximación en el espacio de dos especies
con capacidad para reaccionar químicamente en su colisión.
Entre dos reactivos ¿Quién ataca a quién?
Se atribuye la iniciativa a la especie más necesitada de
estabilización, más reactiva:
_
C
O
Reacciones NUCLEÓFILAS
Reacciones ELECTRÓFILAS
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ECUACIÓN QUÍMICA, ESTEQUIOMETRÍA Y VELOCIDAD
DE REACCIÓN.
Cuando se persigue el conocimiento profundo de una
reacción química, no suministran información suficiente:
LA ECUACIÓN QUÍMICA AJUSTADA: expresión simbólica
resumida o global de un proceso químico.
LA ESTEQUIOMETRÍA: proporción adecuada en la que
participan los distintos reactivos y productos de un
proceso químico.
Siendo datos interesantes, no resultan determinantes.
No informan de: VELOCIDAD, ENERGÍA, MECANISMO,
RENDIMIENTOS, CONVERSIÓN, ESTEREOQUÍMICA...
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¿Y el conocimiento de la VELOCIDAD DE REACCIÓN?
¿y la determinación de su ley experimental de velocidad?
En reacciones sencillas, de un solo paso, mediante una
colisión simple, la ley de velocidad informa suficientemente:
Br
CN N
Br -
VR = k [R1] [R2]
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En reacciones complejas, con numerosos reactivos, en las
que una colisión múltiple es improbable y se producen en
numerosas etapas encadenadas, la velocidad de reacción
sólo depende del paso controlante por lo que no ofrece
información suficiente:
2 MnO4- + 10 Fe2+ + 16 H+
2Mn2+ + 10 Fe3+ + 8 H2O
Tampoco en reacciones aparentemente simples pero que no
se pueden explicar mediante una colisión sencilla:
H
I
O
I2
O
Aquí VR = k [cetona] pero es independiente de la [I2]
?
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¿Dónde hay que buscar entonces fundamentalmente
la información más precisa y exhaustiva sobre
una reacción química?
En el conocimiento de su MECANISMO DE REACCIÓN.
REACCIÓN
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MECANISMO DE REACCIÓN:
Conjunto de etapas sucesivas y encadenadas
que globalmente constituyen la evolución de
una reacción química completa y en las que
están involucrados reactivos y especies
intermedias que se van transformando hasta
conformar los productos finales.
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OBJETIVOS DEL ESTUDIO DE UN MECANISMO DE REACCIÓN.
¿Por qué estudiar un mecanismo de reacción?
1. Reto científico de aumentar el conocimiento
2. Rentabilidad práctica en la mejora
experimental
OBJETIVO PRÁCTICO DEL ESTUDIO
DE UN MECANISMO DE REACCIÓN:
La optimización racional de la experimental
de una reacción química.
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OPTIMIZACIÓN RACIONAL DE UN PROCESO
QUÍMICO BASADA EN EL CONOCIMIENTO DE
SU MECANISMO DE REACCIÓN
EJEMPLO DE QUÍMICA AGRÍCOLA
1. Diseño molecular asistido por ordenador
2. Síntesis química nivel laboratorio
3. Confirmación actividad biológica buscada
4. Escalado
5. Producción industrial
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O
INHIBIDORES DE UREASA
H2N
NH2
• La UREA es un fertilizante muy rentable a pesar de que su
aprovechamiento en suelo agrícola es sólo de un 30%.
• La responsable del mal rendimiento es la UREASA,
UREASA
enzima que destruye la urea por hidrólisis.
• La ureasa es aportada por los microorganismos del suelo.
• INHIBIDORES DE UREASA son moléculas capaces de
competir con la urea en la enzima por lo que la
inactivan.
• Añadiendo al fertilizante estas moléculas, la urea
permanece más tiempo en suelo y el rendimiento agrícola
es mayor.
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EL CONOCIMIENTO DEL MECANISMO
DE REACCIÓN PERMITE SELECCIONAR
LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN DE
FORMA RACIONAL DE MANERA QUE
CONDUZCAN A LA OPTIMIZACIÓN DEL
PROCESO.
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Posibles mejoras experimentales a conseguir:
•
•
•
•
•
•
•
•
Optimización del rendimiento.
Aumento de la pureza del producto final
principal.
Valoración más precisa de las necesidades de
ingeniería química, procesos y operaciones.
Mejora en el tiempo de producción (catálisis).
Minimización de la contaminación por
disolventes y productos.
Conservación del medio ambiente.
Aprovechamiento y reciclaje de materiales.
Disminución de costos.
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APROXIMACIÓN A UN MECANISMO DE REACCIÓN
A) CONOCIMIENTO EXACTO (IRREALIZABLE)
• Posición precisa de cada átomo en moléculas
del disolvente y reactivos durante todo el proceso
(ESTEREOQUÍMICA).
ESTEREOQUÍMICA
• Naturaleza e intensidad de las interacciones
ocurridas.
• Niveles de energía del sistema
momento (TERMODINÁMICA).
TERMODINÁMICA
en
todo
• Velocidad a la que se producen los cambios
(CINÉTICA).
CINÉTICA
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B) CONOCIMIENTO APROXIMATIVO
(REALIZABLE)
Dato 1. Descripción de las situaciones inicial
(REACTIVOS) y final (PRODUCTOS).
• Dato 2. Conocimiento de los intermedios de
reacción en cuanto a ESTRUCTURA, ESTABILIDAD
Y REACTIVIDAD.
• Dato 3. Relación de los enlaces que se rompen
y forman: naturaleza de los mismos.
• Dato 4. Descripción general de los ataques
producidos entre centros, facilidad o dificultad de
los mismos (AFINIDAD ELÉCTRICA).
•
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EN FUNCIÓN DE LOS DATOS ANTERIORES
DISPONIBLES SE FORMULAN HIPÓTESIS
LÓGICAS DESCRIBIENDO LOS POSIBLES
PASOS DEL MECANISMO.
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VALIDACIÓN DE UN MECANISMO
• Valoración de las diversas hipótesis posibles de
mecanismo de reacción.
• Exclusión de las alternativas menos probables
y selección de la mejor.
• Aplicación de los siguientes CRITERIOS DE
VALIDACIÓN:
1. El mecanismo propuesto explica la aparición de
los productos reales de la reacción, incluida la
ESTEREOQUÍMICA.
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La bromación de un alqueno rígido sólo genera isómeros trans:
O
O
Br
O
+
Br
Br
Br
S,S
R,R
O
O
+
Br Br
Br Br
R,S
S,R
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La hidroxilación de un doble enlace con permanganato en
frío en medio básico produce exclusivamente isómero cis:
MnO4H
H
OH
+
OH
OH
OH
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Sorprendentemente, la sustitución de ciertos halogenuros
de arilo en amiduro sódico se produce en un 50% sobre
una posición en la que no estaba el halógeno:
NH2
Cl
NH2
NH2-
NO2
+
NO2
NO2
50%
50%
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2. El mecanismo candidato justifica los intermedios
identificados o detectados y la adición de estas
especies intermedias a la masa de reacción conduce
hasta más producto.
3. Explica
condiciones
disolvente
ultravioleta,
los efectos de un cambio en las
de reacción, por ejemplo, medio básico,
polar, mayor temperatura, radiación
adición de catalizadores como Fe (II)...
4. El mecanismo concuerda con la cinética que se ha
determinado experimentalmente.
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A pesar de estos criterios de validación, un mecanismo
NO SE DEMUESTRA, tan sólo podemos decir de él que:
SE
ES
ES
ES
PROPONE
VÁLIDO
UN CAMINO POSIBLE, PROBABLE
COMPATIBLE
Sin seguridad de que sea el único mecanismo seguido
por la reacción y ni tan siquiera que sea el mayoritario.
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O
O
H
Paso controlante
LENTO
O
I
HALOGENACIÓN DE
CETONAS EN α
I
I2
H+
I
O
O
I
_
S
+
R I
O
1. COMPROBAR ESTEREOQUÍMICA
I-
RÁPIDO
2. ADICIÓN DE ANIÓN A LA MASA DE
REACCIÓN
3. ADICIÓN DE BASE
O
I
4. CONCORDANCIA CON LA CINÉTICA:
VR # k [I2]
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Fin del tema 01
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